量子計算機将推動未來5年或10年的科學發現

光子盒研究院出品

近日，在加州理工學院科學交流中心主辦的網絡研讨會上，該校理論實體教授和量子資訊和物質研究所(IQIM)主席John Preskill談論了建造量子計算機的前景和挑戰。

作為理論實體學家，Preskill提出了目前廣為人知的量子計算概念，包括量子霸權(quantum supremacy)和含噪聲中等規模量子(NISQ)。

在與該校科學作家Whitney Clavin的對話中，他讨論了量子計算機可能如何幫助解決各種科學領域的難題，以及已故的理查德·費曼在20世紀80年代首次提出量子計算機時是如何有類似的認識的。

對話的要點如下，包括Preskill對科學創造力的看法。

1、什麼是量子計算機，它和普通計算機有什麼不同？

我以為你會先問我一個簡單的問題！這實際上是一個很難回答的問題，但我會盡量回答。

我應該先說量子計算機不是什麼：它不僅僅是我們現在使用的傳統計算機的更好、更強大、更快的版本。它使用量子實體原理以一種根本不同的方式處理資訊。

我們早就知道，近一個世紀以來，所有物質都受量子理論支配，這催生了許多新技術，例如雷射和磁共振成像(MRI)，以及在晶片上放置數十億個半導體。但這些技術隻是觸及了量子理論如何改變我們對宇宙可能性的看法的表面。

特别是，他們沒有考慮到，當我們有許多亞原子粒子，它們在量子力學上互相強烈作用時，這些粒子會說一種非常誇張的語言，這與我們了解的語言和我們的計算機了解的語言非常不一樣。沒有辦法把量子語言簡明扼要地翻譯成我們的計算機所知道的普通比特。如果你想用比特來描述幾百個粒子在做什麼，你需要比可見宇宙中原子數量更多的比特。這是一個極其複雜的問題，我們想利用它來加速解決一些非常困難的計算問題。

2、關于量子計算機有很多炒作。他們到底要做什麼？

某種程度上，這種炒作是自然的。每個人都知道計算很重要，它影響我們的日常生活，它有經濟價值。近年來，我們已經看到科技行業和量子計算投資者的興趣急劇上升。從某些方面來說，這是一件好事。它加速了進步，并為人們在該領域工作提供了機會。但我們應該現實地看待量子計算的時間期限，因為它具有巨大的實際影響。

我們還應該意識到，量子計算機可能無法加速我們想用計算機做的一切，但将适用于一類特殊的問題——我們對這些問題仍然隻有部分了解。當我們有了量子計算機并可以用它們做實驗時，我們會更好地了解這些問題。

3、我們要等多久？1年？10年？100年？

這取決于你想要什麼。我們正處于量子計算機發展的非常早期的階段，但即使是現在，從科學的角度來看，我們已經擁有的量子計算機正在賦予我們能力。它們使我們能夠以前所未有的方式探索複雜量子系統的行為，這将推動未來5年或10年的科學發現。但對于廣泛的實際影響，我認為合理的估計是幾十年，或者10年以上。

4、哪些潛在的應用最讓你興奮？

記住，我是一名科學家，是以我喜歡把計算機看作是推動科學進步和科學發現的工具。我們用計算機以各種方式闡明大自然是如何運作的。這适用于化學和材料科學的許多領域。我們知道方程式；它們描述了電子之間的電磁互相作用以及與原子核的互相作用。但對于大分子或複雜材料來說，它們太難求解了。量子計算機将有助于解決這樣的問題。

這最終也将産生實際影響。例如，計算化學可以促進新藥物和化學催化劑的發現，并對人類産生廣泛影響，但我們可能需要一段時間才能看到這種影響。

我們使用計算機的另一種方式是幫助我們發現新的實體定律，我認為量子計算機在這方面也會很有用。我一直感興趣的一件事是，我們應該如何思考時空本身的量子力學？如果我想了解當某物落入黑洞時會發生什麼，或者在宇宙曆史的早期發生了什麼，這是很重要的。量子計算機将通過允許我們模拟量子現象來幫助我們更好地掌握這些東西，否則這些現象将很難研究。

5、這就是理查德·費曼在20世紀80年代首次提出量子計算機時的想法嗎？

我認識費曼；從我到加州理工學院到他去世的這段時間裡，我們在加州理工學院工作了大約五年，我們聊了很多關于科學的話題。我們沒有讨論量子計算，但我們确實讨論了很多關于亞核粒子及其行為的問題。這是一個我們認為我們知道方程式的例子。我們有一個叫做量子色動力學的理論，它描述了質子和中子及其成分的行為。但和化學一樣，這些方程式太難求解了。雖然我們知道正确的方程式，但我們無法從第一原理出發計算這個過程，而這是量子計算機能夠做到的。

我認為，引起費曼對量子計算可能性興趣的部分原因是他意識到這樣的問題太難解決了。與此同時，他也意識到，如果我們能夠模拟量子系統的行為，那麼将有其他的影響，包括使我們能夠在化學和材料方面進行計算，否則我們将無法實作這些計算。

6、你覺得你的工作有創造性嗎？

希望如此。科學家是問題解決者。而且每個人都是如此。我的意思是，這是人類自身狀況的一部分，因為我們都有問題，我們想要解決它們。是以你必須找出解決問題的方法。你還必須弄清楚你想關注什麼問題，問什麼問題。我認為這兩件事都與創造力和直覺有關。如果你正在解決一個問題，并且有必要知道解是什麼，那麼如果它很簡單，可能有人已經找到了答案。是以有時候你會被卡住。

但是你會發現你現在正在思考的問題和你以前思考過的問題之間有聯系。這些類比實際上非常有用。有時它會憑空出現，有時你不得不強行使用它。你意識到隻要你足夠努力，道路清晰，你就能解決問題，但你必須解決所有細節。當你看不到解會出現在哪裡時，這些創造性的步驟才是最有趣的；如果你從不同的角度看問題，你就會意識到思考問題的正确方式。

7、加州理工學院有量子計算機嗎？

加州理工學院與亞馬遜網絡服務公司(AWS)建立了合作夥伴關系，AWS在我們校園裡開設了一個量子計算中心，他們正在尋求基于非常冷的電路的方法。我認為這是一種良好的夥伴關系，因為雙方都認為有必要關注長期問題。

在我看來，未來5到10年的量子計算應用最有可能是科學發現的工具，而不是解決商業中感興趣的問題。為了達到量子計算産生巨大實際影響的階段，我們必須擁有更好、更多的量子比特。為此，我們将不得不解決一些大的系統工程問題。

完整對話持續了46分鐘，可以通過以下連結觀看視訊：

https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/ask-expert-quantum/quantum-computers-john-preskill?utm_source=caltechcarousel&utm_medium=web&utm_campaign=csequantum

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